Обратная связь

В выше упомянутых работах о кибернетике Ст. Бир и У.Р. Эшби водят понятие обратной связи и возможностей ее существования и применения в различных сферах жизни.

Обнаружена "обратная связь" была согласно следующей легенде.

Звали его Гемфри Поттер. У него был скорее всего деятельный характер, и он не любил однообразия. Именно поэтому мальчику надоела та работа, которую он выполнял на одной из английских шахт, когда там откачивали воду: Гемфри Поттер открывал и закрывал краны парового котла.

Почему он это делал? Да потому, что два с половиной века назад - тогда-то и жил Гемфри - паровой котел работал несколько отлично от современного.

Пар из котла поднимал поршень в цилиндре. Гемфри закрывал кран для пара. И тут же открывал другой кран, откуда в цилиндр шла холодная вода. Пар конденсировался, образовывалась пустота, атмосферное давление давило на поршень, он шел вниз, передавая свое движение насосу. Потом Гемфри Поттер опять открывал и закрывал поочередно краны... И так целый день-деньской.

Согласитесь, работа не из интересных. И, естественно, она ему надоела. Сообразительный мальчик решил освободить себя от нее. Он соединил веревочками краны со штоком поршня. При движении штока вверх или вниз веревочки натягивались и открывали или закрывали краны в нужной последовательности.

В технике есть условные, специфические понятия "вход" и "выход" у машины. У паровой машины вход - это подача пара, а выход - движение поршня. Теперь вам будет понятно строго научное определение, которое дано в начале раздела. Когда вход с выходом связаны, осуществляется обратная связь.

Это и сделал, как говорит легенда, английский мальчик Гемфри Поттер. Он открыл обратную связь, нащупал систему автоматического регулирования.

Обратная связь - основа основ современной техники.

Регулятор Уаттав течение почти двухсот лет служит примером изящества и простоты обратной связи.

Можно привести много примеров разнообразных систем автоматического регулирования. Регуляторы температуры поддерживают нужную температуру. Регуляторы давления - заданное давление. Регуляторы скорости - требуемое число оборотов вала. Регуляторы напряжения - постоянство напряжения в электросети. Они различны по конструкции, принципу действия и назначению, но взаимодействие между управляющим устройством- регулятором - и управляемым объектом однотипно. http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000002/st028.shtml

Рисунок 1 - Обобщенная схема устройств с обратной связью

При кибернетическом подходе важно влияние составных частей систем друг на друга. Упрощая выше представленную схему на рисунке… отношение частей динамической системы можно изобразить следующей диаграммой представленной на рисунке …., где Р - регулятор, О – управляемый (регулируемый) объект.

Рисунок – Взаимодействие частей динамической системы

Таким образом, если действие между частями динамической системы имеет этот круговой характер, то мы говорим, что в ней имеется обратная связь.[ ]

С появлением кибернетики расширились границы применения понятия "обратная связь".

Ст.Бир, один из пионеров в области кибернетизации больших капиталистических предприятий, постулировал возможность создания «фирмы-гомеостата» и в качестве примера рассмотрел теорию регулирования деятельности большого сталелитейного производства.

Ст. Бир определяет управление как гомеостатическую машина, предназначенная для саморегулирования.

Гомеостат – система, обладающая способностью самоорганизации, то есть способностью в известной степени обучаться и приспосабливаться формами своего поведения к устойчивому равновесию с окружающей средой при некоторой случайности во внутреннем строении (например, при изменении параметров, связей с окружающей средой, частичной поломке).

Обратную связь характеризуется как механизм, позволяющий выходным показателям системы корректировать ее входные параметры.

Одной из важных особенностей управления с обратной связью Ст. Бир называет невозможность выхода параметров за установленные границы, так как при отклонении от равновесного состояния (желаемых показателей системы) начинают действовать регуляторы, возвращающие показатели к норме. Таким образом, обратная связь является прекрасным аппаратом контроля и воздействия на систему.

Другой важной особенностью автор считает, что регулятор с обратной связью может компенсировать влияние на систему возмущений, причины возникновения которых могут быть неизвестны. В этом случае он все равно выполняет функцию корректировки, заложенную в него.

Обратная связь существует двух видов – отрицательная и положительная.

Приведенный ранее пример парового двигателя Уатта представляет собой механизм отрицательной обратной связи – при превышении скорости маховика, осуществляется управление противоположного характера – для снижения скорости.

Положительная обратная связь заключается в усилении отклонения от заданного значения. В качестве примера Ст. Бир приводит тормозные системы с внешним источником энергии. В этих системах применяется механизм, развивающий тормозное движение, осуществляемое вручную, до уровня, достаточного для остановки движущейся машины.

Рассмотренные примеры являются простейшими детерминированными системами. Однако Ст. Бир подчеркивает, что принципы, применяемые в них, могут и должны использоваться в более сложных системах, например, вероятностных, а также в системах, не относящихся к технике. Более того, примеры обратной связи можно найти в биологических системах, в которые данный принцип заложен самой природой.

Для демонстрации последнего утверждения автор рассматривает роль обратной связи в живых организмах. Например, обратная связь, аналогичная используемой в машине Уатта, наблюдается в работе сердца улитки. Примеры обратной связи можно видеть в устройстве пищеварительных систем животных при выделении желудочных соков, энзимов и т.п. Даже павловская собака представляет собой наглядный пример обратной связи, так как слюнные железы управляются нервной системой, реагирующей на раздражитель.

Другим интересным примером использования кибернетики и обратной связи в нетехнических областях является моделирование системы памяти.

Память современных компьютеров представляет собой хранилище всей введенной информации. Это со временем требует все больших размеров памяти, что не всегда является нужным и удобным. Гораздо более совершенно устройство человеческой памяти, которой присуще забывать некоторую несущественную информацию. Разработка искусственной памяти с такой же характеристикой является сложной задачей и представляет собой объект кибернетического исследования.

Ст. Бир ссылается на работу одного из основоположников кибернетики Хайнца фон Ферстера «Теория памяти, построенная на принципах квантовой механики», в которой была предложена модель механизма памяти, основанная на «рациональном забывании». В книге «Введение в кибернетику» приводится упрощенная модель, необходимая для иллюстрации применения обратной связи.

Модель состоит в следующем:

- наблюдаемое событие создает ряд элементарных впечатлений (по аналогии с множеством рецепторов в человеческом глазу);

спустя некоторое время забывчивость приведет к потере части памяти;

скорость изменения числа существующих в данный момент впечатлений пропорциональна числу исчезающих впечатлений;

- число существующих в данный момент времени впечатлений.

Аналитически данные рассуждения записываются следующим образом:

Откуда получаем .

Из этих рассуждений была выведена кривая «забывания», показывающая уровень сохранения информации в памяти с течением времени.

Если построить график доли «запомненной информации» от времени, то будет видно, что кривая быстро убывает и стремится к нулю. Однако данный вывод противоречит эмпирическим наблюдениям, показывающим, что несмотря на быстрое ослабевание точной памяти, мозг человека сохраняет воспоминания в течение длительного времени.

Вот тут и возникает необходимость во введении механизма обратной связи в рассматриваемой модели.

Фон Ферстер ввел дополнительные «коэффициенты забывания», являющиеся отрицательными. Интерпретировать «отрицательное забывание» можно как обучение, процесс заучивания информации или повторение. Описываемый процесс представляет собой периодическое обновление памяти, что и является обратной связью в системе.

Анализ памяти человека в любой момент времени показывает некоторую долю элементов, все еще несущих информацию. Эта доля подается по обратной связи в свободные участки памяти, образованные в результате забывания. Из этих рассуждений следует, что в памяти содержится часть первоначальных сохраненных впечатлений плюс некоторые дополнительные впечатления, поступающие по обратной связи. Аналитически эти выводы можно представить следующим образом:

Где – свободная память, образованная в результате забывания;

– коэффициент обучения.

Описанная модель содержит в себе отрицательную обратную связь, т.к. обучение имеет противоположный эффект по сравнению с забыванием.

Фон Ферстер преобразовал полученное выражение, введя следующие обозначения:

– доля запоминания;

- заучивание.

После преобразований модель приняла вид:

Кривая, описываемая этим уравнением, не убывает так быстро, как предыдущая и при сохраняет остаточные запомненные впечатления.

Ст. Бир подчеркивает, что построение кибернетических моделей призвано сделать исследования более эффективными (в случае с экономической системой – более приближенными к реальности, что позволит делать практические выводы; в случае с моделированием памяти – сделать запоминающие устройства более экономичными и жизнеспособными, а не фиксирующими всю информацию подряд), и механизм обратной связи играет при этом существенную роль.

[ http://cyber.econ.spbu.ru/zhukova/Zhukova.htm]